V Indii a také na Cejlonu bylo známo, že turmalínové krystalky vhozené do horkého popela nejprve částečky popela přitahovaly a potom odpuzovaly. Tento jev se stal známým v Evropě teprve až kolem roku 1703, kdy byl turmalín přivezen holandskými obchodníky. Carl Linné roku 1747 turmalín latinsky pojmenoval lapis electricus (elektrický kámen). David Brewster tento jev studoval nejen na turmalínu, ale i na jiných krystalech (např. Seignettova sůl, křemen, třtinový cukr) a jevu dal název pyroelektřina (z řeckého pyr = oheň, žár).

Charles Coulomb předpokládal, že by u některých látek mohl vznikat elektrický náboj pomocí tlaku. Proto známý krystalograf René–Just Haüy hledal piezoelektřinu u různých krystalů, např. u krystalu vápence. Dalším pokračovatelem ve výzkumu byl Henri Becquerel, který vzbuzoval elektrický náboj tlakem na amorfních látkách a na krystalech (slída, sádrovec, vápenec, topas), u kterých bylo dokázáno, že nejsou piezoelektrické. V roce 1880 velmi důsledně a podrobně popsali piezoelektrický jev bratři Jacques a Pierre Curieové. Jsou proto pokládáni za objevitele piezoelektřiny (z lat. piedzó = tlačím). Obrácený piezoelektrický jev dokázal opticky Wilhelm Röntgen, přímý důkaz podali opět bratři Curiové.

 
Pierre Curie.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Public domain.

První pokus o výklad piezoelektrického jevu spadá do roku 1892, kdy Eduard Riecke předpokládal, že vznik piezoelektrických nábojů souvisí se změnami v coulombovském působení mezi molekulami, způsobenými mechanickou deformací mřížky. O rok později William Thomson, lord Kelvin přišel s myšlenkou, že potenciálové rozdíly mezi molekulami jsou stejného řádu jako kontaktní potenciály mezi kovy. Vyšel z představy o geometrickém rozložení atomů křemíku v krystalové mřížce křemene a jeho ovlivnění vnějším mechanickým napětím. Jeho představa se velmi blížila dalším teoriím, který vyvinuli Erwin Schrödinger (1921), Joseph Larmor (1912) a Max Born. Poslední kapičkou k vysvětlení piezoelektrického jevu bylo zjištění mřížkové struktury křemene pomocí rentgenového záření, které provedli William Laurence Bragg (1914) a později R. E. Gibbs a Raplh W. G. Wyckoff (1926).

U plynných, kapalných a pevných amorfních látek způsobuje elektrické pole posunutí nebo otočení molekul. Jinak je tomu v iontových krystalech. V takovém krystalu nelze oddělit jednotlivé molekuly. Polarizace krystalu zde vede k posunutí všech kladných iontů ve směru pole a záporných iontů proti směru pole. Polarizace může být různá pro různé směry pole. Tento jev se nazývá přímý piezoelektrický jev a spočívá v tom, že při mechanických deformacích (stlačení, protažení) některých krystalů vznikají na jejich plochách elektrické náboje. Piezoelektrický jev se projevuje jen u nesymetrických krystalů – např. barium–titanová keramika nebo křemen. Velikost a polarita tohoto napětí závisí na velikosti a směru deformace krystalu. Při stlačení krystalu křemene tlakem 104 Pa vzniká na proti sobě ležících stěnách krystalu napětí řádově setiny voltu.


Vznik napětí při piezoelektrickém jevu.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.

Existuje i inverzní piezoelektrický jev, který vede k protažení nebo zkrácení rystalu (elektrostrikce) díky elektrickému napětí. Elektrostrikce je nepatrná, při napětí několik set voltů je řádově nanometry.

Piezoelektřina má pestré využití v průmyslu, v nemocnicích i v běžných domácnostech. Z nejstarších přístrojů stojí za zmínku Beaudoinův manograf, který slouží ke studiu periodických změn, Beaudoinův akcelerograf sloužící k měření zrychlení, chvění země, v dopravní a stavební technice k měření chvění vozovky, mostů, železobetonových konstrukcí apod. Piezoelektrické prvky mohou vysílat a přijímat i neslyšitelný ultrazvuk, například v ultrazvukových defektoskopech ke zjišťování skrytých vad materiálu nebo v medicíně (ultrazvukové zobrazování lidského plodu, ultrazvukové mikromasáže, likvidace ledvinových a žlučníkových kamenů). Piezoelektrickým zdrojem vysokého napětí je také zapalovač plynu: stisknutím tlačítka se silně stlačí krystal a přitom vznikne tak vysoké napětí, že mezi elektrodami přeskočí elektrická jiskra.

Dnes se oba jevy využívají k montáži oscilátorů, přenosných křemenných hodin, snímačů tlaků, zdrojů pro signální zařízení, miniaturních mikrofonů a reproduktorů. 

Autor textu: 

Rezervace a nákup vstupenek

Recepce

Poradíme Vám s objednáním a nákupem vstupenek.